(57)【要約】  微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を中空糸膜で濾過し、濾液から化学品を回収し、さらに濃縮液を該発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を該発酵培養液に追加する連続発酵において使用される化学品製造用中空糸膜モジュール１であって、多数本の中空糸膜束が筒状ケースに収納され、該中空糸膜束の少なくとも一方の端部は、中空糸膜集束部材によって中空糸膜の端面が開口された状態で該筒状ケースに固定されており、該中空糸膜集束部材が、１２１℃の飽和水蒸気と２４時間接触させた後の硬度の保持率が９５％以上である合成樹脂からなることにより、高い物質生産性を維持し、かつ滅菌処理可能な連続発酵法による化学品製造用中空糸膜モジュール１を提供する。
2011058983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を中空糸膜で濾過し、濾液から化学品を回収し、さらに濃縮液を該発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を該発酵培養液に追加する連続発酵において使用される化学品製造用中空糸膜モジュールであって、多数本の中空糸膜束が筒状ケースに収納され、該中空糸膜束の少なくとも一方の端部は、中空糸膜集束部材によって中空糸膜の端面が開口された状態で該筒状ケースに固定されており、該中空糸膜集束部材が、１２１℃の飽和水蒸気と２４時間接触させた後の硬度の保持率が９５％以上である合成樹脂からなることを特徴とする化学品製造用中空糸膜モジュール。
【請求項２】
該中空糸膜束の一方の端部が、中空糸膜集束部材によって中空糸膜の端面が開口された状態で該筒状ケースに固定され、該中空糸膜束の他方の端部が、複数の小束に分割され、該小束単位で小束閉塞部材によって中空糸膜の端面が閉塞されていることを特徴とする、請求項１に記載の化学品製造用中空糸膜モジュール。
【請求項３】
中空糸膜が、フッ素樹脂系高分子を含む中空糸膜を、１１０℃以上１３５℃以下の飽和水蒸気と接触させて得られたものであることを特徴とする、請求項１または２に記載の化学品製造用中空糸膜モジュール。
【請求項４】
中空糸膜が、フッ素樹脂系高分子を含む中空糸膜を、１２０℃以上１３０℃以下の飽和水蒸気と接触させて得られたものであることを特徴とする、請求項１または２に記載の化学品製造用中空糸膜モジュール。
【請求項５】
中空糸膜が、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の化学品製造用中空糸膜モジュール。
【請求項６】
中空糸膜が、脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピオンオキサイドから選ばれる少なくとも１種を有する親水性高分子、またはセルロースエステルを含有する、請求項１〜５のいずれかに記載の化学品製造用中空糸膜モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の化学品製造用中空糸膜モジュールを使用する化学品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、培養を行いながら、微生物または培養細胞の発酵培養液から、中空糸膜モジュールを通して化学品を含む液を濾過・回収し、さらに未濾過液を発酵培養液に戻し、かつ、発酵原料を発酵培養液に追加する、連続発酵法による化学品の製造方法において、発酵に関与する微生物濃度を向上させて高い生産性を得るために、目詰まりによる濾過性の低下を起こしにくいように設計した化学品製造用中空糸膜モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微生物や培養細胞の培養を伴う物質生産方法である発酵法は、大きく（１）回分発酵法（Ｂａｔｃｈ発酵法）および流加発酵法（Ｆｅｄ−Ｂａｔｃｈ発酵法）と、（２）連続発酵法とに分類することができる。【０００３】
上記（１）の回分発酵法および流加発酵法は、設備的には簡素であり、短時間で培養が終了し雑菌汚染による被害が少ないという利点がある。しかしながら、時間経過と共に発酵培養液中の化学品濃度が高くなり、浸透圧あるいは化学品阻害等の影響により生産性および収率が低下してくる。そのため、長時間にわたり安定して高収率かつ高生産性を維持することが困難である。【０００４】
また、上記（２）の連続発酵法は、発酵槽内で目的化学品が高濃度に蓄積することを回避することによって、長時間にわたって高収率かつ高生産性を維持できるという特徴がある。この連続発酵法については、Ｌ−グルタミン酸やＬ−リジンの発酵についての連続培養法が開示されている（非特許文献１参照）。しかしながら、この例では、発酵培養液に原料の連続的な供給を行うと共に、微生物や培養細胞を含んだ発酵培養液を抜き出すために、発酵培養液中の微生物や培養細胞が希釈されることから、生産効率の向上は限定されたものであった。【０００５】
連続発酵法において、微生物や培養細胞を分離膜で濾過し、濾液から化学品を回収すると同時に濃縮液中の微生物や培養細胞を発酵培養液に保持または還流させることにより、発酵培養液中の微生物や培養細胞濃度を高く維持する方法が提案されている。【０００６】
例えば、分離膜として有機高分子からなる平膜を用いた連続発酵装置において、連続発酵する技術が提案されている。（特許文献１参照）。しかしながら、提案された技術は、平膜ユニットの設置容積に対する有効膜面積が小さく、目的化学品をこの技術で製造することに対するコストメリットが十分でない等、非効率的な技術であった。【０００７】
上記課題の解決のために、連続発酵装置に用いる分離膜を有機高分子からなる中空糸膜とした、連続発酵技術が提案されている（特許文献２参照）。この技術では、膜ユニットにおいて単位体積あたりの膜面積が大きくとれるため、従来の連続発酵と比べて発酵生産効率は格段に高くなった。【０００８】
さらに中空糸膜を用いた分離膜モジュールとしては、多数本の中空糸膜束が筒状ケースに収納され、少なくとも一方は中空糸膜の端面が開口された状態で、該中空糸膜束の両方の端部が中空糸膜集束部材によって該筒状ケースに固定されたモジュールの他に、中空糸膜束内部に堆積した閉塞物質を剥がれ落ちやすくし、分離性能を十分に引き出すために、例えば中空糸膜の一端をケース内に固定せずに１本ずつ封止し、懸濁物質の排出性を大幅に向上させた水処理用の中空糸膜モジュールの技術が開示されている（特許文献３参照）。ところが、この形態の中空糸膜モジュールは、多数本ある中空糸膜の端面の１本１本を封止する作業が煩雑で時間を要するうえに、原水や洗浄用の空気を供給する際、中空糸膜が必要以上に激しく揺れて絡み合ったり、中空糸膜が折れたりするなどして損傷してしまう。【０００９】
また、懸濁物質の排出性も良好で、中空糸膜の封止作業も容易な中空糸膜モジュールの形態として、封止する側の中空糸膜束下端を複数の小束に分割してそれぞれを樹脂で接着封止する方法が開示されている（特許文献４参照）。【００１０】
しかしながら、中空糸膜を用いたモジュールを、そのまま連続発酵による化学品の生産のための分離膜モジュールとして用いるのは困難である。【００１１】
その理由としては、まず、連続発酵による化学品の生産では、基本的に雑菌混入（コンタミネーション）を防いだ状態で培養を行う必要があることが挙げられる。例えば、発酵培養液を濾過する際に分離膜モジュールから雑菌が混入すると、発酵効率の低下、発酵槽内での発泡等により化学品の製造が効率的に行えなくなるため、雑菌混入を防ぐために、分離膜モジュールごとに滅菌することが必要となる。滅菌の方法としては、火炎滅菌、乾熱滅菌、煮沸滅菌、蒸気滅菌、紫外線滅菌、ガンマ線滅菌、ガス滅菌等の方法が挙げられるが、特許文献２に基づいて化学品の製造を行う際には、上記文献で用いられる膜が乾燥してしまうと分離機能がなくなってしまうことに留意する必要がある。そのため、分離膜中の水分を損なうことなく滅菌するには、蒸気滅菌（通常は１２１℃、１５分間から２０分間）が適した滅菌方法である。特許文献４には、分離膜モジュールを蒸気滅菌する温度条件での加熱処理への対応が一切記載されておらず、該分離膜モジュールを蒸気滅菌すると部材の熱劣化が起こり、モジュールの一部が破損してしまうといった問題が発生する懸念が考えられる。【００１２】
さらに、分離膜モジュールを用いた連続発酵法では、分離膜モジュール内の分離膜を目詰まりさせることなく、微生物や培養細胞を分離膜で濾過し、濾液から化学品を回収すると同時に濃縮液中の微生物や培養細胞を発酵培養液に保持または還流させることにより、発酵培養液中の微生物や培養細胞濃度を高く維持する必要があるが、特許文献２には、中空糸分離膜の性能を十分に引き出す高濃度純菌培養液を濾過するための分離膜モジュールの設計に関する記載や示唆は無い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−２５２３６７号公報
【特許文献２】特開２００８−２３７１０１号公報
【特許文献３】特開平７−６００７４号公報
【特許文献４】特開２００５−２３０８１３号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Toshihiko Hirao et al.（ヒラノ・トシヒコ  ら）、 Appl. Microbiol. Biotechnol.（アプライド  マイクロバイアル  アンド  マイクロバイオロジー），３２，２６９−２７３（１９８９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、長時間にわたり安定して中空糸膜束の内部に微生物等の堆積が起こらず高生産性を維持し、かつ蒸気滅菌可能な連続発酵法による化学品製造用中空糸膜モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記目標を達成するために、次のような構成をとる。【００１７】
（１）微生物もしくは培養細胞の発酵培養液を中空糸膜で濾過し、濾液から化学品を回収し、さらに濃縮液を該発酵培養液に保持または還流し、かつ、発酵原料を該発酵培養液に追加する連続発酵において使用される化学品製造用中空糸膜モジュールであって、多数本の中空糸膜束が筒状ケースに収納され、該中空糸膜束の少なくとも一方の端部は、中空糸膜集束部材によって中空糸膜の端面が開口された状態で該筒状ケースに固定されており、該中空糸膜集束部材が、１２１℃の飽和水蒸気と２４時間接触させた後の硬度の保持率が９５％以上である合成樹脂からなることを特徴とする化学品製造用中空糸膜モジュール。【００１８】
（２）該中空糸膜束の一方の端部が、中空糸膜集束部材によって中空糸膜の端面が開口された状態で該筒状ケースに固定され、該中空糸膜束の他方の端部が、複数の小束に分割され、該小束単位で小束閉塞部材によって中空糸膜の端面が閉塞されていることを特徴とする、上記（１）に記載の化学品製造用中空糸膜モジュール。【００１９】
（３）中空糸膜が、フッ素樹脂系高分子を含む中空糸膜を、１１０℃以上１３５℃以下の飽和水蒸気と接触させて得られたものであることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の化学品製造用中空糸膜モジュール。【００２０】
（４）中空糸膜が、フッ素樹脂系高分子を含む中空糸膜を、１２０℃以上１３０℃以下の飽和水蒸気と接触させて得られたものであることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の化学品製造用中空糸膜モジュール。【００２１】
（５）中空糸膜が、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含むことを特徴とする、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の化学品製造用中空糸膜モジュール。【００２２】
（６）中空糸膜が、脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピオンオキサイドから選ばれる少なくとも１種を有する親水性高分子、またはセルロースエステルを含有する、上記（１）〜（５）のいずれかに記載の化学品製造用中空糸膜モジュール。【００２３】
（７）上記（１）〜（６）のいずれかに記載の化学品製造用中空糸膜モジュールを使用する化学品の製造方法。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、上述の中空糸膜モジュールを使用することで、長時間にわたり安定して高生産性を維持し、かつ繰り返し滅菌処理可能な連続発酵が可能となり、広く発酵工業において、発酵生産物である化学品を低コストで安定に生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明で用いられる中空糸膜モジュールを例示説明するための、中空糸膜の両端を筒状ケースに固定したモジュール概略縦断面図である。
【図２】本発明で用いられる中空糸膜モジュールを例示説明するための、中空糸膜の一方を筒状ケースに固定したモジュール概略縦断面図である。
【図３】中空糸膜を複数の小束に分割し、閉塞部材で閉塞した部分を示す、図２の中空糸膜モジュールの部分拡大図である。
【図４】本発明の連続発酵装置を例示説明するための概略フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明において分離膜として用いられる中空糸膜について説明する。
【００２７】
本発明で用いられる中空糸膜の材質は、有機材料や無機材料を用いることができるが、分離性能及び透水性能、さらには耐汚れ性の観点から、有機高分子化合物を好適に使用することができる。例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、セルロース系樹脂およびセルローストリアセテート系樹脂などが挙げられ、これらの樹脂を主成分とする樹脂の混合物であってもよい。ここで主成分とは、その成分が５０重量％以上、好ましくは６０重量％以上含有することをいう。本発明においては、溶液による製膜が容易で物理的耐久性や耐薬品性にも優れているポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂およびポリアクリロニトリル系樹脂が好ましく、ポリフッ化ビニリデン系樹脂またはそれを主成分とする樹脂が、化学的強度（特に耐薬品性）と物理的強度を併せ有する特徴をもつため最も好ましく用いられる。
【００２８】
ここで、ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、フッ化ビニリデンの単独重合体が好ましく用いられる。さらに、ポリフッ化ビニリデン系樹脂は、フッ化ビニリデンと共重合可能なビニル系単量体との共重合体を用いても構わない。フッ化ビニリデンと共重合可能なビニル系単量体としては、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよび三塩化フッ化エチレンなどが例示される。
【００２９】
さらに好ましくは、フッ素樹脂系高分子を含む中空糸膜であり、三次元網目構造と球状構造の両方を有し、親水性を持たせるために、三次元網目構造中に脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドから選ばれる少なくとも1種を有する親水性高分子、またはセルロースエステルを含有する中空糸膜である。
【００３０】
ここで、三次元網目構造とは、固形分が三次元的に網目状に広がっている構造をいう。三次元網目構造は、網を形成する固形分に仕切られた細孔およびボイドを有する。
【００３１】
また、球状構造とは、多数の球状もしくは略球状の固形分が、直接もしくは筋状の固形分を介して連結している構造のことをいう。
【００３２】
さらに、球状構造層と三次元網目構造層の両方を有していれば特に限定されないが、球状構造層と三次元網目構造層とが積層されたものであることが好ましい。一般に層を多段に重ねると、各層の界面では層同士が互いに入り込むために緻密になり、透過性能が低下する。層同士が互いに入り込まない場合は、透過性能は低下しないが、界面の剥離強度が低下する。従って、各層の界面の剥離強度と透過性能を考慮すると、球状構造層と三次元網目構造層の積層数は少ない方が好ましく、球状構造層1層と三次元網目構造層1層の合計2層からなるようにすることが特に好ましい。また、球状構造層と三次元網目構造層以外の層、例えば多孔質基材などの支持体層を含んでいても良い。多孔質基材としては、有機材料、無機材料等、特に限定されないが、軽量化しやすい点から有機繊維が好ましい。さらに好ましくは、セルロース系繊維、酢酸セルロース系繊維、ポリエステル系繊維、ポリプロピレン系繊維、ポリエチレン系繊維などの有機繊維からなる織布や不織布である。
【００３３】
三次元網目構造層と球状構造層の上下や内外の配置は、濾過方式によって変えることができるが、三次元網目構造層が分離機能を担い、球状構造層が物理的強度を担うため、三次元網目構造層を分離対象側に配置することが好ましい。特に、汚れ物質の付着による透過性能の低下を抑制するためには、分離機能を担う三次元網目構造層を分離対象側の最表層に配置することが好ましい。
【００３４】
三次元網目構造層と球状構造層の各厚みは、培養液の濾過に最適な耐汚れ性の各性能、分離特性、透水性能、物理的強度、化学的強度(耐薬品性)を考慮すべきである。三次元網目構造層が薄いと対汚れ性、分離特性および物理的強度が低く、厚いと透水性能が低くなる。従って、上述した各性能のバランスを考慮すると、三次元網目構造層の厚みは5μm以上50μm以下、より好ましくは10μm以上40μm以下が良く、球状構造層の厚みは100μm以上500μm以下、より好ましくは200μm以上300μm以下が良い。さらに、三次元網目構造層と球状構造層の厚みの比も上述した各性能にとって重要であり、三次元網目構造層の割合が大きくなると物理的強度が低下する。従って、三次元網目構造層の平均厚みの球状構造層の平均厚みに対する比は、0.03以上0.25以下が良く、より好ましくは0.05以上0.15以下が良い。
【００３５】
なお、球状構造と三次元網目構造の界面は、両者が互いに入り組んだ構造をしている。球状構造層とは、高分子分離膜の断面を走査型電子顕微鏡を用いて3000倍で写真撮影した際に、球状構造が観察される範囲の層をいう。また、三次元網目構造層とは、高分子分離膜の断面を、走査型電子顕微鏡を用いて3000倍で写真撮影した際に、球状構造が観察されない範囲の層をいう。
【００３６】
また、球状構造の平均直径が大きくなると、空隙率が高くなり透水性が増大するが、物理的強度が低下する。一方、平均直径が小さくなると、空隙率が低くなり、物理的強度が増大するが、透水性が低下する。従って、球状構造の平均直径は0.1μm以上5μm以下が好ましく、より好ましくは0.5μm以上4μm以下である。球状構造の平均直径は、高分子分離膜の断面について走査型電子顕微鏡を用いて10000倍で写真撮影し、10個以上、好ましくは20個以上の任意の球状構造の直径を測定し、数平均して求める。画像処理装置等を用いて、球状構造の直径の平均値を求め、等価円直径の平均孔径とすることも好ましく採用できる。
【００３７】
三次元網目構造が分離対象側の最表層にある場合、最表層の表面をこの層の真上から観察すると、細孔が観察される。この三次元網目構造の表面の平均孔径の好ましい値は、高い阻止性能と高い透水性能を両立するためには0.1nm以上1μm以下が好ましく、より好ましくは5nm以上0.5μm以下である。また、微生物もしくは培養細胞が目的とする化学品以外の物質、例えば、タンパク質、多糖類など凝集しやすい物質を生産する場合があり、更に、培養液中の微生物もしくは培養細胞の一部が死滅することで細胞の破砕物が生成する場合があり、これら物質によって多孔性膜の閉塞することから回避するためには、三次元網目構造の表面の平均孔径は、5nm以上0.5μm以下の範囲が好ましく、0.02μm以上0.2μm以下の範囲がより好ましい。
【００３８】
表面の平均孔径がこの範囲にあると、水中の汚れ物質が細孔に詰まりにくく、透水性能の低下が起こりにくいため、高分子分離膜をより長期間連続して使用することができる。また、詰まった場合でも、いわゆる逆洗や空洗によって汚れを除去することができる。ここで、汚れ物質とは、微生物やその死骸、発酵しきれなかった残存培地、発酵の副産物、発酵および培養によって発生したタンパク質などを挙げることができる。逆洗とは、通常の濾過と逆方向に透過水などを通す操作であり、空洗とは、空気を送って中空糸膜を揺らし膜表面に堆積した汚れ物質を除去する操作である。
【００３９】
三次元網目構造の表面の平均孔径は、三次元網目構造の表面を、走査型電子顕微鏡を用いて60000倍で写真撮影し、10個以上、好ましくは20個以上の任意に選択した細孔の直径を測定し、数平均して求める。細孔が円状でない場合、画像処理装置等によって、細孔が有する面積と等しい面積を有する円(等価円)を求め、等価円直径を細孔の直径とする方法により求められる。
【００４０】
三次元網目構造と球状構造の両方を有するフッ素樹脂系高分子分離膜において、前記三次元網目構造が脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドから選ばれる少なくとも1種を有する親水性高分子、またはセルロースエステルを含有してなることを特徴とすることが好ましい。フッ素樹脂系高分子とは、フッ化ビニリデンホモポリマーおよび/またはフッ化ビニリデン共重合体を含有する樹脂のことである。複数の種類のフッ化ビニリデン共重合体を含有していても良い。フッ化ビニリデン共重合体としては、フッ化ビニル、四フッ化エチレン、六フッ化プロピレン、三フッ化塩化エチレンから選ばれる少なくとも1種とフッ化ビニリデンとの共重合体か挙げられる。
【００４１】
また、フッ素樹脂系高分子の重量平均分子量は、要求される高分子分離膜の強度と透水性能によって適宜選択すれば良いが、重量平均分子量が大きくなると透水性能が低下し、重量平均分子量が小さくなると強度が低下する。このため、重量平均分子量は5万以上100万以下が好ましい。特に、運転により発酵液の濾過を行ない、分離膜に付着する汚れ物質を薬液洗浄によって除去し、再度発酵液の濾過を行なう必要がある場合、重量平均分子量は10万以上70万以下が好ましく、薬液洗浄を複数回行う場合、さらに15万以上60万以下が好ましい。
【００４２】
また、脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドから選ばれる少なくとも1種を有する親水性高分子、またはセルロースエステルとは、主鎖および/または側鎖に分子ユニットとして脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドから選ばれる少なくとも1種、またはセルロースエステルを有する（ここで、脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドの場合は、それらをモノマーに用いて誘導される分子ユニットを有することを意味する。）ものであれば特に限定されず、これら以外の分子ユニットが存在しても良い。脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、またはセルロースエステル以外の分子ユニットを構成するモノマーとしては、例えば、エチレン、プロピレンなどのアルケン、アセチレンなどのアルキン、ハロゲン化ビニル、ハロゲン化ビニリデン、メチルメタクリレート、メチルアタリレートなどが挙げられる。該親水性高分子は、フッ素樹脂系高分子とともに三次元網目構造を形成するために用いるので、フッ素樹脂系高分子と適当な条件で混和することが好ましい。さらには、フッ素樹脂系高分子の良溶媒に、該親水性高分子とフッ素樹脂系高分子が混和溶解する場合には、取り扱いが容易になるので特に好ましい。
【００４３】
親水性高分子である脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、またはセルロースエステルの含有率が高くなると、得られる高分子分離膜の親水性が増大し、透過性能や耐汚れ性が向上するので、フッ素樹脂系高分子との混和性を損なわない範囲であれば含有率は高いほうが好ましい。脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、またはセルロースエステルの親水性高分子中の含有率は、フッ素樹脂系高分子との混和比や要求される高分子分離膜の性能に依るが、50モル%以上が好ましく、より好ましくは60モル%以上が良い。
【００４４】
そして、三次元網目構造と球状構造の両方を有するフッ素樹脂系高分子分離膜において、前記三次元網目構造が主にセルロースエステルおよび/または脂肪酸ビニルエステルで構成される親水性高分子を含有することが特に好ましい。これは、主にセルロースエステルおよび/または脂肪酸ビニルエステルで構成されると、フッ素樹脂系高分子との混和性を損なわない範囲においても、エステルの加水分解の程度を広範囲で調整可能であり、得られる高分子分離膜に親水性を付与しやすいからである。主にセルロースエステルおよび/または脂肪酸ビニルエステルで構成される親水性高分子とは、セルロースエステルまたは脂肪酸ビニルエステルの含有率が70モル%以上であるか、あるいはセルロースエステルの含有率と脂肪酸ビニルエステルの含有率の和が70モル%以上である親水性高分子のことであり、より好ましくは80モル%以上のものが良い。
【００４５】
特に、セルロースエステルは、繰り返し単位中に3つのエステル基を有し、それらの加水分解の程度を調整することにより、フッ素樹脂系高分子との混和性と高分子分離膜の親水性をともに達成しやすいため好ましく用いられる。セルロースエステルとしては、セルロースアセテート、セルロースアセテートプロピオネート、セルロースアセテートブチレートが挙げられる。
【００４６】
脂肪酸ビニルエステルとしては、脂肪酸ビニルエステルのホモポリマー、脂肪酸ビニルエステルと他モノマーとの共重合体、脂肪酸ビニルエステルを他ポリマーにグラフト重合したものが挙げられる。脂肪酸ビニルエステルのホモポリマーとしては、ポリ酢酸ビニルが安価で取り扱いが容易なため好ましく用いられる。脂肪酸ビニルエステルと他モノマーとの共重合体としては、エチレン−酢酸ビニル共重合体が安価で取り扱いが容易なため好ましく用いられる。
【００４７】
また、三次元網目構造および球状構造には、培養に阻害しない範囲で他の成分、例えば、有機物、無機物、高分子などが含まれていても良い。
【００４８】
三次元網目構造および球状構造を有するフッ素樹脂系中空糸膜の作製法の概要について説明する。まず球状構造からなるフッ素樹脂系中空糸膜の製造方法は、フッ素樹脂系高分子を20重量％から60重量％以下程度の比較的高濃度で、該高分子の貧溶媒または良溶媒に比較的高温で溶解して該高分子溶液を調製する。高分子溶液を調製した後、二重管式口金の外側から吐出するとともに、中空部形成流体を二重管式口金の内側の管から吐出しながら冷却浴中で固化して、中空糸膜とする。この際、中空部形成流体には、通常気体もしくは液体を用いることができるが、冷却液体と同様の濃度が60重量％以上100重量％以下の貧溶媒もしくは良溶媒を含有する液体を用いることが好ましく採用できる。なお、中空部形成流体は冷却して供給しても良いが、冷却浴の冷却力のみで中空糸膜を固化するのに十分な場合は、中空部形成流体は冷却せずに供給しても良い。
【００４９】
ここで貧溶媒とは、高分子を60℃以下の低温では5重量％以上溶解させることはできないが、60℃以上かつ高分子の融点以下(例えば、高分子がフッ化ビニリデンホモポリマー単独で構成される場合には178℃程度)の高温領域で5重量％以上溶解させることができる溶媒のことである。貧溶媒に対し、60℃以下の低温領域でも高分子を5重量％以上溶解させることができる溶媒を良溶媒、高分子の融点または溶媒の沸点まで、高分子を溶解も膨潤もさせない溶媒を非溶媒と定義する。
【００５０】
以上のようにして得られた球状構造からなるフッ素樹脂系高分子分離膜の上に、脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドから選ばれる少なくとも１種、またはセルロースエステルを有する親水性高分子を含有する三次元網目構造を積層させる。その方法は、特に限定されないが、以下の方法を好ましく用いることができる。すなわち、球状構造からなるフッ素樹脂系高分子分離膜の上に、該親水性高分子を含有するフッ素樹脂系高分子溶液を塗布した後、凝固浴に浸漬することで三次元網目構造を有する層を積層させる方法である。
【００５１】
ここで、三次元網目構造を形成させるための、脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドから選ばれる少なくとも１種、またはセルロースエステルを有する親水性高分子を含有するフッ素樹脂系高分子溶液は、前記した親水性高分子、フッ素樹脂系高分子および溶媒で構成されるものであるが、溶媒としては、フッ素樹脂系高分子の良溶媒を用いることが好ましい。親水性高分子を含有するフッ素樹脂系高分子溶液の高分子濃度は、通常5重量％以上30重量％以下が好ましく、より好ましくは10重量％以上25重量％以下の範囲である。5重量％未満では、三次元網目構造層の物理的強度が低下し、30重量％を超えると透過性能が低下する。また該親水性高分子を含有するフッ素樹脂系高分子溶液は、フッ素樹脂系高分子や親水性高分子の種類・濃度、溶媒の種類、添加剤の種類・濃度によって溶解温度が異なる。再現性良く安定な該溶液を調製するためには、溶媒の沸点以下の温度で撹拌しながら数時間加熱して、透明な溶液となるようにすることが好ましい。さらに、該溶液を塗布する際の温度も重要であり、高分子分離膜を安定して製造するためには、該溶液の安定性を損なわないように温度を制御しつつ、系外からの非溶媒の侵入を防止することが好ましい。該溶液の塗布温度が高すぎると、球状構造からなるフッ素樹脂系高分子分離膜を溶解して、三次元網目構造層と球状構造層の界面に緻密な層を形成しやすく、透水性能が低下する。逆に該溶液の塗布温度が低すぎると、塗布中に該溶液の一部分がゲル化し、欠点を多く含む分離膜が形成して、分離性能が低下する。このため塗布温度は、該溶液の組成や求める分離膜の性能によって鋭意検討して決定する必要がある。
【００５２】
中空糸膜の場合、球状構造からなるフッ素樹脂系高分子分離膜の上に、脂肪酸ビニルエステル、ビニルピロリドン、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドから選ばれる少なくとも１種、またはセルロースエステルを有する親水性高分子を含有するフッ素樹脂系高分子溶液を塗布する方法としては、中空糸膜を該高分子溶液中に浸漬したり、中空糸膜に該高分子溶液を滴下したりする方法が好ましく用いられ、中空糸膜の内表面側に該高分子溶液を塗布する方法としては、該高分子溶液を中空糸膜内部に注入する方法などが好ましく用いられる。さらに該高分子溶液の塗布量を制御する方法としては、該高分子溶液の塗布量自体を制御する以外に高分子分離膜を該高分子溶液に浸漬したり、高分子分離膜に該高分子溶液を塗布した後に、該高分子溶液の一部を掻き取ったり、エアナイフを用いて吹き飛ばしたりする方法も好ましく用いられる。
【００５３】
またここで凝固浴は、樹脂の非溶媒を含むことが好ましい。非溶媒としては、前記のようなものを好ましく用いることができる。塗布された樹脂溶液を非溶媒に接触させることで、非溶媒誘起相分離が生じ、三次元網目構造層が形成される。
【００５４】
この中空糸膜については、飽和水蒸気と接触させる処理を、中空糸膜モジュール組立前または組立後のいずれかに行うことが好ましい。ただし飽和水蒸気と接触させる処理による中空糸膜の収縮が大きい場合は、モジュールあたりの膜面積が減少すること、また中空糸膜集束部材において中空糸膜が収縮するため集束部材と中空糸膜の接着性が低下する懸念もあることから、中空糸膜モジュール組立前に、中空糸膜を飽和水蒸気と接触させることが好ましい。例えば、中空糸膜モジュール組立後に飽和水蒸気と接触させ中空糸膜が長さ方向に１割収縮すると、中空糸膜モジュールの膜面積が１割減少することとなる。中空糸膜モジュール組立後に飽和水蒸気と接触させる方法で膜面積を同じにするためには、あらかじめ中空糸膜を長めに保持しておくことが必要となる。中空糸膜を飽和水蒸気と接触させる際、中空糸膜の材質、組成によっては、接触温度において、ガラス状態、ゴム状態または液体状態で流動性を持つ可能性があり、中空糸膜の表面構造が変化する可能性がある。このため、中空糸膜表面の微細孔径が大きくなり、発酵液の濾過性が向上する可能性ある。
【００５５】
ここで、飽和水蒸気との接触温度は、１１０℃以上１３５℃以下であることが好ましく、１２０℃以上１３０℃以下であることがさらに好ましい。ここで飽和水蒸気との接触温度は、１４０℃を超えると、フッ素系樹脂の融点に近くなる場合があり、表面粗さが増加する、または細孔が破壊される懸念がある。
【００５６】
また飽和水蒸気との接触時間は、中空糸膜が飽和水蒸気との接触で変化するのに時間を要するため、一定時間以上、接触する必要がある。この接触時間は、中空糸膜の材質、組成等によって異なるが、省エネルギー、生産性の観点から、接触時間は必要最小限であることが好ましい。例えばポリフッ化ビニリデンであれば、１２１℃の飽和水蒸気と１時間以上接触させても中空糸膜の長さ方向および半径方向について、ほぼ同じ長さとなる。
【００５７】
ここで飽和水蒸気とは、ある温度でそれ以上水蒸気を含まない、水蒸気が飽和となっている状態である。本発明で用いられる飽和水蒸気については、例えば、オートクレーブでは、液体状態の水を過剰に保持した状態で、対象物を封入したオートクレーブを密閉状態にて電気ヒーター等で加熱して、水蒸気を飽和状態とし、所定の時間・温度で対象物と飽和水蒸気を接触させる。このとき、密閉状態となったオートクレーブ内部は加圧状態となっており、その温度と圧力は飽和水蒸気圧の関係から決定され、例えば、１２１℃では約０．２１ＭＰａとなる。またボイラー等で発生させた高圧スチームを用いて、耐熱・耐圧容器に対象物を封入して、高圧スチームを通気させることで、対象物と飽和水蒸気を接触させる方法もある。
【００５８】
ここで、飽和水蒸気との接触は、バッチ式でも連続式でも行うことができる。連続式では、連続供給される対象物を、飽和水蒸気雰囲気の空間にて接触させることができる。飽和水蒸気雰囲気の空間では、シールを適切に行い所望の温度・圧力を維持できる様にして、オートクレーブと同様に液体状態の水を過剰の保持した状態で加熱して水蒸気の飽和状態を生成してもよく、また高圧スチームを供給し、熱交換で発生するドレン水を連続的にスチームトラップ等で除去して、飽和水蒸気と接触させても良い。
【００５９】
本発明で用いられる中空糸膜においては、発酵培養液への目詰まりのしにくさ、すなわち耐汚れ性（耐ファウリング性）が重要な性能の一つである。このため中空糸膜の平均細孔径と純水透過性能のバランスが重要である。つまり平均細孔径は、膜の汚れ物質が細孔内部に入らない程度に小さい方が好ましいが、一方で、細孔が小さくなると透水性能が小さくなるので、濾過運転時の膜間差圧が大きくなって安定運転ができなくなる。そこである程度透水性能が高い方がよいが、その透水性能の指標として、使用前の中空糸膜の純水透過係数を用いることができる。本発明において、中空糸膜の純水透過係数は、逆浸透膜濾過による２５℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ１ｍで透水量を測定し算出したときの純水透過係数が、５．６×１０−１０ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以上１．６×１０−８ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以下、好ましくは１．１×１０−９ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以上１．３×１０−８ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以下、さらに好ましくは１．７×１０−９ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以上１．１×１０−８ｍ３／ｍ２／ｓ／Ｐａ以下である。
【００６０】
また平均細孔径は、透水性能が上述の範囲にあれば使用する目的や状況に応じて適宜決定することができるが、ある程度小さい方が好ましく、通常は０.０１μｍ以上１μｍ以下であることが良い。中空糸膜の平均細孔径が０.０１μｍ未満であると、糖や蛋白質などの成分やその凝集体などの膜汚れ成分が細孔を閉塞して、安定運転ができなくなる。透水性能とのバランスを考慮した場合、好ましくは０．０２μｍ以上であり、さらに好ましくは０．０３μｍ以上である。また、１μｍを超える場合、膜表面の平滑性と膜面の流れによる剪断力や、逆洗やエアースクラビングなどの物理洗浄による細孔からの汚れの成分の剥離が不十分となり、安定運転ができなくなる。さらに中空糸膜の平均細孔径が微生物もしくは培養細胞の大きさに近づくと、これらが直接孔を塞いでしまう場合がある。また発酵培養液中の微生物もしくは培養細胞の一部が死滅することにより細胞の破砕物が生成する場合があり、これらの破砕物によって中空糸膜の閉塞することから回避するために、平均細孔径は０.４μｍ以下が好ましく、０.２μｍ以下であれば、より好適に実施することができる。
【００６１】
ここで、平均細孔径は、倍率１０，０００倍以上の走査型電子顕微鏡観察で観察される複数の細孔の直径を測定し、平均することにより求めることができる。１０個以上、好ましくは２０個以上の細孔を無作為に選び、それら細孔の直径を測定し、数平均して求めることが好ましい。細孔が円状でない場合などは画像処理装置等によって、細孔が有する面積と等しい面積を有する円、すなわち等価円を求め、等価円直径を細孔の直径とする方法により求めることも好ましく採用できる。
【００６２】
本発明で用いられる中空糸膜の外径は、好ましくは０．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、更に好ましくは０．８ｍｍ以上１．８ｍｍ以下である。０．６ｍｍ未満の細い中空糸膜を用いる場合、有効膜面積が大きくなるため化学品をより多く濾過することが可能となるが、モジュールに収める際や、モジュール内で発酵培養液を循環させる際に、外力によって中空糸膜が折れたり、中空糸膜が破断したりすることによって発酵培養液が濾液に混入するといった点から好ましくない。さらに、細い中空糸膜を用いる場合には、微生物が中空糸膜束の中に入り込み排出しにくくなる現象が起こるため好ましくない。２．０ｍｍよりも太い中空糸膜を用いる場合、中空糸膜が折れる、破断するといったリスクが少なくて済むが、同じ体積のモジュール内に中空糸膜を充填する際に有効膜面積が小さくなり、単位体積あたりの濾過量が減ることから好ましくない。また、中空糸膜の揺動性が悪くなるため分離膜モジュール内部からの微生物や汚れ成分の排出性が悪化するので好ましくない。
【００６３】
本発明で用いられる中空糸膜の形態としては、外圧式または内圧式中空糸膜のいずれでも良いが、発酵に用いる微生物の分散性が低く、フロックを形成する様な場合は、内圧式中空糸膜では分離膜の１次側に流れる発酵液が詰まりを発生する懸念があるため、外圧式中空糸膜を使用することが好ましい。
【００６４】
本発明で用いられる中空糸膜の破断強度は、好ましくは６ＭＰａ以上、さらに好ましくは７ＭＰａ以上である。破断強度が６ＭＰａ未満だとフラッシングやエアースクラビングなどの物理洗浄の際の揺動に耐えられない可能性があり、中空糸膜の破断の懸念があり好ましくない。また、本発明で用いられる中空糸膜の破断伸度は、好ましくは２０％以上である。破断伸度が２０％未満だと、破断強度同様フラッシングやエアースクラビングで強制的に糸を揺らす場合に膜破断の可能性が高いため好ましくない。
【００６５】
次に、本発明における中空糸膜モジュールの構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、中空糸膜束の少なくとも一方の端部が、中空糸膜集束部材によって中空糸膜の端面が開口された状態で該筒状ケースに固定された中空糸膜モジュールの概略縦断面図、図２は、中空糸膜束の一方の端部が、中空糸膜集束部材によって中空糸膜の端面が開口された状態で該筒状ケースに固定され、該中空糸膜束の他方の端部が、複数の小束に分割され、該小束単位で小束閉塞部材によって中空糸膜の端面が閉塞された中空糸膜モジュールの概略縦断面図、図３は中空糸膜を複数の小束に分割し、閉塞部材で閉塞した部分を示す概略斜視図である。
【００６６】
中空糸膜モジュール１は、図１に示すように、両端が開口した筒状ケース３内に多数本の中空糸膜２を収納し、中空糸膜２の端面の少なくとも一方が開口された状態で、中空糸膜束の両方の端部が中空糸膜集束部材４によって筒状ケース３に固定されたモジュールの形態をとってもよい。また図２に示すように、両端が開口した筒状ケース３内に多数本の中空糸膜２を収納し、中空糸膜２の上方の端部は、端面を開口状態としつつ筒状ケース３の上端に中空糸膜集束部材４で液密に固定し、一方、中空糸膜２の下方の端部は、３束から３００束程度の小束２ａに分割し、小束２ａ単位で端面を小束閉塞部材５でまとめて閉塞してもよい。なお、下方の端部において、中空糸膜２は小束２ａ単位で自由に動ける状態となっており、小束２ａ単位で自由に動ける状態であれば、Ｕ字状に折り曲げた糸束の湾曲部を小束閉塞部材５でまとめるようにしてもよい。また、補強のために各小束２ａにはスチールワイヤーやアラミド繊維コードなどの、高強度かつ低伸度である糸状または棒状の部材を含んでもよい。
【００６７】
筒状ケース３の上部には濾過液出口９を有する上キャップ６を、筒状ケース３の下部には発酵培養液およびエアーの流入口８を有する下キャップ７を液密に接続している。中空糸膜２を透過しなかった発酵培養液は、発酵培養液出口１０より中空糸膜モジュール１の外部に排出される。
【００６８】
筒状ケース３や上キャップ６、下キャップ７の材質としては、蒸気滅菌に対する耐熱性を有する素材が必要であり、例えばポリスルホン、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィドなどの耐熱性樹脂が単独もしくは混合で用いられる。また、樹脂以外ではアルミニウム、ステンレス鋼などが好ましく、さらに、樹脂と金属の複合体や、ガラス繊維強化樹脂、炭素繊維強化樹脂などの複合材料を使用してもかまわない。
【００６９】
本発明において、中空糸膜２の束を筒状ケース３に固定する中空糸膜集束部材４、および、中空糸膜２を小束２ａ単位でまとめて閉塞する小束閉塞部材５には、蒸気滅菌への耐熱性が必要であり、発明者らが鋭意検討した結果、硬化物を１２１℃、２気圧、飽和水蒸気条件下で２４時間経過後の硬度の保持率が９５％以上である特徴を有する必要があることを明らかにした。
【００７０】
中空糸膜集束部材４および小束閉塞部材５が中空糸膜２を筒状ケース３や小束２ａにまとめて固定し、中空糸膜モジュール１としての機能を発揮するが、硬度が低すぎると柔らか過ぎて、濾過または逆圧洗浄等の運転時、さらには蒸気滅菌時に分離膜１次側から高圧の飽和水蒸気を投入した場合等に分離膜の１次側と２次側で差圧がかかった時に、中空糸膜集束部材４が大きく変形し、接着界面で剥離を生じ、中空糸膜２が破断してリークを起こす懸念がある。また硬度が高すぎると、濾過または逆圧洗浄等の運転時に中空糸膜の揺れが発生した際、中空糸膜集束部材４または小束閉塞部材５と中空糸膜２との接着界面において、中空糸膜２が損傷または破断する傾向が強くなる。以上のように硬度は、中空糸膜集束部材４および小束閉塞部材５が機能するための重要な因子であり、蒸気滅菌を繰り返し行っても、中空糸膜集束部材４および小束閉塞部材５が反応、分解せず、安定的であることが必要であり、硬化物を１２１℃、２気圧、飽和水蒸気条件下で２４時間経過後の硬度の保持率が９５％以上である特徴を有することが必要である。
【００７１】
また中空糸膜集束部材４および小束閉塞部材５と中空糸膜２との界面での糸切れや糸の損傷または破断を防止するために、中空糸膜集束部材４および小束閉塞部材５として、硬化後のＪＩＳ−Ｋ６２５３（２００４）のタイプＤデュロメータ硬度が５０以上８０以下程度の合成樹脂を使用しても良い。また、中空糸膜集束部材４および小束閉塞部材５として、汎用品で安価であり、水質への影響も小さいエポキシ樹脂やポリウレタン樹脂などの合成樹脂を用いることが好ましい。
【００７２】
なお、上述の硬化物が１２１℃、２気圧、飽和水蒸気条件下で２４時間経過後の硬度の保持率が９５％以上であることを確認する試験方法としては、例えば、次の方法を採用できる。
【００７３】
ポリウレタン樹脂３０ｇ（サンユレック社製、ＳＡ−７０６８Ａ／ＳＡ−７０６８Ｂ、２液を重量比が６４：１００となるように混合）を十分に撹拌混合させたのち、厚さ６ｍｍの板状になるよう８０℃で４時間硬化させる。樹脂を室温中に置き、２５℃になるまで自然冷却させたのちにＪＩＳ−Ｋ６２５３に記載のタイプＤのデュロメータを用いてＤ硬度を測定する。ＪＩＳ−Ｋ６２５３（２００４）のタイプＤデュロメータ硬度は、ＪＩＳ−Ｋ６２５３（２００４）に記載の測定器を使用し、触針を樹脂の表面に押し付けることで測定される。
【００７４】
硬度を測定した樹脂について、１２１℃、２気圧、飽和水蒸気条件下で２４時間熱処理し、２５℃になるまで自然冷却させ、表面の水分をよくふき取ったのち、前述の方法で硬度を測定する。熱処理にはオートクレーブやプレッシャークッカーを用いて行うことが出来る。なお、熱処理時間は連続２４時間でも累計２４時間でもよいが、実際の使用時は繰り返し蒸気滅菌を行うことが想定されるため、繰り返し蒸気滅菌し累計２４時間の処理を行う方がより好ましい。
【００７５】
小束閉塞部材５は、筒状ケース３内への中空糸膜２の充填密度、各小束２ａ間の間隙の大きさ、などに応じて種々の形状とすることができる。例えば、柱状体としたり、球状体としたり、流線状体としたりすることができる。また、円錐状体、角錐状体、板状体などでもよい。また、柱状体の場合、成形が容易でかつ破損しにくい断面形状が円形のものが好ましいが、断面が三角形や四角形、五角形、六角形などの多角形や楕円型、星形のものなどでもよい。
【００７６】
また、小束閉塞部材５として樹脂を用いる場合、図３に示すように、容器１１に中空糸膜２の端部を配置して、樹脂を注入、固化し、中空糸膜２端面を閉塞すれば、より効率的な閉塞作業が可能となるうえに、そのままモジュールとして使用できるので容器による重錘効果が得られる。このとき、容器１１の材質としては、ポリスルホンなどの耐熱性樹脂、またはステンレス鋼（ＳＵＳ）が好ましい。
【００７７】
なお、小束閉塞部材５による中空糸膜２の筒状ケース３への充填率低下を防止するためには、隣り合った小束閉塞部材５の位置を中空糸膜モジュール１の軸方向（上下方向）にずらしても良い。
【００７８】
さらに、中空糸膜２の端面を小束２ａ単位で閉塞する各小束閉塞部材５は、その一部が隣り合った小束閉塞部材５と接続されていてもよい。例えば、棒状体、ヒモ状体で各小束閉塞部材５を接続する構造である。このような構造により、各小束閉塞部材５同士が手をつないだ様になるので、特定の場所の小束閉塞部材５のみが揺れることが無く、振動や揺動の力を他の小束閉塞部材５に伝播することが出来る。同時に、各小束２ａの位置を緩やかに規制することができ、原水やエアーの分散性が向上することで汚れ斑の発生を防止する効果や各小束２ａ同士の絡み合いを防止する効果をさらに向上できる。
【００７９】
ここで、本発明の中空糸膜モジュールにおける中空糸膜の充填率は以下の式１で求められる。中空糸膜モジュールにおける中空糸膜の充填率は、使用する目的や状況に応じて適宜決定することができるが、通常は３０％以上５０％以下が好ましく、さらに好ましくは３５％以上４８％以下である。本発明では、連続発酵で微生物もしくは培養細胞を発酵培養液に保持または還流するため、発酵培養液を発酵槽と中空糸膜モジュールとの間で循環する必要があるが、この際、中空糸膜モジュール内部の膜面での発酵培養液の線速度が小さいと、膜面での流れによる剪断力が小さくなり、膜の汚れ物質が細孔や小束内部に閉塞して安定運転が難しくなる。また、中空糸膜モジュール当たりの膜面積も小さくなることから、化学品の生産効率も低下する。充填率が３０％未満の場合、中空糸膜モジュール内で中空糸膜以外の断面積が大きくなるため、循環流量を大きくしないと膜面線速度を大きくすることができない。循環流量を大きくすると、循環ポンプも大型となり機器費増、また運転電力増となる。また循環流量が増えるので配管を太くする必要があるため、配管費用、自動弁などのバルブ類の費用が高額となる問題がある。また、充填率を大きくすると、発酵培養液の流路断面積が小さくなり、少ない循環流量でも膜面線速度が大きくなるため有利となるが、充填率が５０％を超えると小束の揺動性が低下することと、中空糸膜モジュール内に占める中空糸膜体積の割合が増えるので、微生物の排出性が低下して膜の目詰まりが発生しやすくなる。また、充填率が５０％を超えると、中空糸膜モジュールの容器への中空糸膜の挿入が困難となること、さらに小束閉塞部材部分の中空糸膜充填率が大きくなり、小束閉塞部材が中空糸膜の間に浸透し難くなり、小束の製作が困難となる問題がある。また中空糸膜集束部材において中空糸膜が偏った配置になると、中空糸膜の間に中空糸膜集束部材が浸透し難くなり、製作が困難となる。
【００８０】
【数１】
2011058983.tif 000003
【００８１】
本発明を用いた連続発酵による化学品の製造で使用する、微生物または培養細胞について述べる。
【００８２】
本発明の中空糸膜モジュールを用いた化学品の製造方法において使用される微生物や培養細胞については特に制限はなく、例えば、発酵工業においてよく使用されるパン酵母などの酵母、大腸菌、コリネ型細菌などのバクテリア、糸状菌、放線菌、動物細胞、昆虫細胞などが挙げられる。また、使用する微生物や培養細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、突然変異や遺伝子組換えによって一部性質が改変されたものであってもよい。
【００８３】
本発明の製造方法で得られる化学品すなわち変換後物質は、上記の微生物や培養細胞が発酵液中に生産する物質である。化学品としては、例えば、アルコール、有機酸、アミノ酸および核酸など発酵工業において大量生産されている物質を挙げることができる。また、本発明は、酵素、抗生物質および組換えタンパク質のような物質の生産に適用することも可能である。例えば、アルコールとしては、エタノール、１，３−ブタンジオール、１,４−ブタンジオールおよびグリセロール等が挙げられる。また、有機酸としては、酢酸、乳酸、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸およびクエン酸等を挙げることができ、核酸であればイノシン、グアノシンおよびシチジン等を挙げることができる。
【００８４】
また、本発明の製造方法で得られる変換後物質は、化成品、乳製品、医薬品、食品または醸造品のうち、少なくとも１種を含む流体物、または排水であることが好ましい。ここで化成品としては、例えば、有機酸、アミノ酸および核酸のように、膜分離濾過後の工程により化学製品を作ることに適用可能な物質、乳製品としては、例えば、低脂肪牛乳など、膜分離濾過後の工程により乳製品として適用可能な物質、医薬品としては、例えば、酵素、抗生物質、組み換えタンパク質のように、膜分離濾過後の工程により医薬品を作ることに適用可能な物質、食品としては、例えば、乳酸飲料など、膜分離濾過後の工程により食品として適用可能な物質、醸造品としては、例えば、ビール、焼酎など、膜分離濾過後の工程によりアルコールを含む飲料として適用可能な物質、排水としては、例えば、食品洗浄排水、乳製品洗浄排水などの生産品洗浄後の排水や、有機物を豊富に含む家庭排水などが挙げられる。
【００８５】
本発明で乳酸を製造する場合、真核細胞であれば酵母、原核細胞であれば乳酸菌を用いることが好ましい。このうち酵母は、乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子を細胞に導入した酵母が好ましい。このうち乳酸菌は、消費したグルコースに対して対糖収率として５０％以上の乳酸を産生する乳酸菌を用いることが好ましく、更に好ましくは対糖収率として８０％以上の乳酸菌であることが好適である。
【００８６】
本発明で乳酸を製造する場合に好ましく用いられる乳酸菌としては、例えば、野生型株では、乳酸を合成する能力を有するラクトバチラス属（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ）、バチラス属（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）属、ペディオコッカス（Ｐｅｄｉｏｃｏｃｃｕｓ）、テトラゲノコッカス属（Ｇｅｎｕｓ
Ｔｅｔｒａｇｅｎｏｃｏｃｃｕｓ）、カルノバクテリウム属（Ｇｅｎｕｓ Ｃａｒｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、カルノバクテリウム属（Ｇｅｎｕｓ Ｃａｒｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、カルノバクテリウム属（Ｇｅｎｕｓ
Ｃａｒｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、カルノバクテリウム属（Ｇｅｎｕｓ Ｃａｒｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、バゴコッカス属（Ｇｅｎｕｓ Ｖａｇｏｃｏｃｃｕｓ）、ロイコノストック属（Ｇｅｎｕｓ
Ｌｅｕｃｏｎｏｓｔｏｃ）、オエノコッカス属（Ｇｅｎｕｓ Ｏｅｎｏｃｏｃｃｕｓ）、アトポビウム属（Ｇｅｎｕｓ Ａｔｏｐｏｂｉｕｍ）、ストレプトコッカス属（Ｇｅｎｕｓ
Ｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ）、エンテロコッカス属（Ｇｅｎｕｓ Ｅｎｔｅｒｏｃｏｃｃｕｓ）、ラクトコッカス属（Ｇｅｎｕｓ Ｌａｃｔｏｃｏｃｃｕｓ）およびスポロラクトバチルス属（Ｇｅｎｕｓ
Ｓｐｏｒｏｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ）に属する細菌が挙げられる。
【００８７】
また、乳酸の対糖収率や光学純度が高い乳酸菌を選択して用いることができ、例えば、Ｄ−乳酸を選択して生産する能力を有する乳酸菌としてはスポロラクトバチルス属に属するＤ−乳酸生産菌が挙げられ、好ましい具体例として、スポロラクトバチルス・ラエボラクティカス（Ｓｐｏｒｏｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ
ｌａｅｖｏｌａｃｔｉｃｕｓ）またはスポロラクトバチルス・イヌリナス（Ｓｐｏｒｏｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｉｎｕｌｉｎｕｓ）が使用できる。さらに好ましくは、スポロラクトバチルス・ラエボラクティカス
ＡＴＣＣ ２３４９２、ＡＴＣＣ ２３４９３、ＡＴＣＣ ２３４９４、ＡＴＣＣ ２３４９５、ＡＴＣＣ ２３４９６、ＡＴＣＣ ２２３５４９、ＩＡＭ１２３２６、ＩＡＭ
１２３２７、ＩＡＭ １２３２８、ＩＡＭ １２３２９、ＩＡＭ １２３３０、ＩＡＭ １２３３１、ＩＡＭ １２３７９、ＤＳＭ ２３１５、ＤＳＭ ６４７７、ＤＳＭ ６５１０、ＤＳＭ
６５１１、ＤＳＭ ６７６３、ＤＳＭ ６７６４、ＤＳＭ ６７７１などとスポロラクトバチルス・イヌリナスＪＣＭ ６０１４などが挙げられる。
【００８８】
Ｌ−乳酸の対糖収率が高い乳酸菌としては、例えば、ラクトバシラス・ヤマナシエンシス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｙａｍａｎａｓｈｉｅｎｓｉｓ）、ラクトバシラス・アニマリス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ
ａｎｉｍａｌｉｓ）、ラクトバシラス・アジリス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ａｇｉｌｉｓ）、ラクトバシラス・アビアリエス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ａｖｉａｒｉｅｓ）、ラクトバシラス・カゼイ（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ
ｃａｓｅｉ）、ラクトバシラス・デルブレッキ（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｄｅｌｂｒｕｅｋｉｉ）、ラクトバシラス・パラカゼイ（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｐａｒａｃａｓｅｉ）、ラクトバシラス・ラムノサス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ
ｒｈａｍｎｏｓｕｓ）、ラクトバシラス・ルミニス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｒｕｍｉｎｉｓ）、ラクトバシラス・サリバリス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｓａｌｉｖａｒｉｕｓ）、ラクトバシラス・シャーピイ（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ
ｓｈａｒｐｅａｅ）、ラクトバシラス・デクストリニクス（Ｐｅｄｉｏｃｏｃｃｕｓ ｄｅｘｔｒｉｎｉｃｕｓ）、およびラクトコッカス・ラクティス（Ｌａｃｔｏｃｏｃｃｕｓ
ｌａｃｔｉｓ）などが挙げられ、これらを選択して、Ｌ−乳酸の生産に用いることが可能である。
【００８９】
本発明において、微生物や培養細胞の発酵液を膜モジュール中の分離膜で濾過処理する際の膜間差圧は、微生物や培養細胞および培地成分が容易に目詰まりしない条件であればよいが、膜間差圧を０.１ｋＰａ以上２０ｋＰａ以下の範囲にして濾過処理することが重要である。膜間差圧は、好ましくは０.１ｋＰａ以上１０ｋＰａ以下の範囲であり、さらに好ましくは０.１ｋＰａ以上５ｋＰａの範囲である。上記膜間差圧の範囲を外れた場合、原核微生物および培地成分の目詰まりが急速に発生し、透過水量の低下を招き、連続発酵運転に不具合を生じることがある。
【００９０】
濾過の駆動力としては、発酵液と多孔性膜処理水の液位差（水頭差）を利用したサイホン、またはクロスフロー循環ポンプにより分離膜に膜間差圧を発生させることができる。また、濾過の駆動力として分離膜処理水側に吸引ポンプを設置してもよい。また、クロスフロー循環ポンプを使用する場合には、吸引圧力により膜間差圧を制御することができる。更に、発酵液側の圧力を導入する気体または液体の圧力によっても膜間差圧を制御することができる。これら圧力制御を行う場合には、発酵液側の圧力と多孔性膜処理水側の圧力差をもって膜間差圧とし、膜間差圧の制御に用いることができる。
【００９１】
本発明の中空糸膜モジュールを用いた連続発酵による化学品の製造は、発酵原料を使用する。使用される発酵原料としては、培養する微生物の生育を促し、目的とする発酵生産物である化学品を良好に生産させ得るものであればよい。
【００９２】
使用される発酵原料は、炭素源、窒素源、無機塩類、および必要に応じてアミノ酸やビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する通常の液体培地が良い。炭素源としては、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトースおよびラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉糖化液、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、およびグリセリンなどが使用される。窒素源としては、アンモニアガス、アンモニア水、アンモニウム塩類、尿素、硝酸塩類、その他補助的に使用される有機窒素源、例えば油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸、ビタミン類、コーンスティープリカー、酵母または酵母エキス、肉エキス、ペプトン等のペプチド類、各種発酵菌体およびその加水分解物などが使用される。無機塩類としては、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩およびマンガン塩等を適宜添加することができる。
【００９３】
連続発酵による化学品の製造に使用する微生物または培養細胞が生育のために特定の栄養素を必要とする場合には、その栄養物を標品もしくはそれを含有する天然物として添加する。また、消泡剤を必要に応じて使用することができる。連続発酵による化学品の製造において、培養液とは、発酵原料に微生物または培養細胞が増殖した結果得られる液のことを言う。追加する発酵原料の組成は、目的とする化学品の生産性が高くなるように、培養開始時の発酵原料組成から適宜変更しても良い。
【００９４】
連続発酵による化学品の製造において、発酵培養液中の糖類濃度は５ｇ／ｌ以下に保持されることが好ましい。発酵培養液中の糖類濃度を５ｇ／ｌ以下に保持することが好ましい理由は、発酵培養液の引き抜きによる糖類の流失を最小限にするためである。
【００９５】
微生物もしくは培養細胞の培養は、通常、ｐＨ４以上８以下、温度２０℃以上４０℃以下の範囲で行われる。発酵培養液のｐＨは、無機の酸あるいは有機の酸、アルカリ性物質、さらには尿素、炭酸カルシウムおよびアンモニアガスなどによって、通常、ｐＨ４以上８以下範囲内のあらかじめ定められた値に調節する。酸素の供給速度を上げる必要があれば、空気に酸素を加えて酸素濃度を２１％以上に保つ、発酵培養液を加圧する、攪拌速度を上げる、あるいは通気量を上げるなどの手段を用いることができる。
【００９６】
また連続発酵における化学品の製造において、分離膜の洗浄に逆圧洗浄や薬液浸漬による洗浄などを行うため、これらに対する耐久性を有することが要求される。例えば逆圧洗浄液には、水や濾過液を用いる他、発酵に大きく阻害しない範囲で、アルカリ、酸または酸化剤を使用することができる。ここで、アルカリは、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液などを挙げることができる。酸は、シュウ酸、クエン酸、塩酸、硝酸などを挙げることができる。また酸化剤は、次亜塩素酸塩水溶液、過酸化水素水などを挙げることができる。この逆圧洗浄液は１００℃未満の高温で使用することもできる。ここで、逆圧洗浄とは、分離膜の２次側である濾過液側から、１次側である発酵液側へ液体を送ることにより、膜面の汚れ物質を除去する方法である。
【００９７】
そのため、本発明の中空糸膜モジュールについては、前記の蒸気滅菌に対する耐久性を有することに加えて、通常、ｐＨでは２〜１２、アルカリ、酸または酸化剤、さらには高温水への耐久性が要求される。
【００９８】
なお、逆圧洗浄液の逆圧洗浄速度は、膜濾過速度の０．５倍以上５倍以下の範囲であり、より好ましくは１倍以上３倍以下の範囲である。逆圧洗浄速度がこの範囲より高いと、分離膜に損傷を与える可能性があり、またこの範囲より低いと洗浄効果が充分に得られないことがある。
【００９９】
逆圧洗浄液の逆圧洗浄周期は、膜差圧および膜差圧の変化により決定することができる。逆圧洗浄周期は、時間あたり０．５回以上１２回以下の範囲であり、より好ましくは時間あたり１回以上６回以下の範囲である。逆圧洗浄周期がこの範囲より多いと、分離膜に損傷を与える可能性があり、またこの範囲より少ないと、洗浄効果が充分に得られないことがある。
【０１００】
逆圧洗浄液の逆圧洗浄時間は、逆圧洗浄周期、膜差圧および膜差圧の変化により決定することができる。逆圧洗浄時間は、１回あたり５秒以上３００秒以下の範囲であり、より好ましくは１回あたり３０秒以上１２０秒以下の範囲である。逆圧洗浄時間がこの範囲より長いと、分離膜に損傷を与える可能性があり、またこの範囲より短いと、洗浄効果が充分に得られないことがある。
【０１０１】
また逆圧洗浄をする際に、一旦濾過を停止し、逆圧洗浄液で分離膜を浸漬することができる。浸漬時間は、浸漬洗浄周期、膜差圧および膜差圧の変化により決定することができる。浸漬時間は、好ましくは１回あたり１分以上２４時間以下、より好ましくは１回あたり１０分以上１２時間以下の範囲である。
【０１０２】
分離膜を複数系列とし、分離膜を逆圧洗浄液で浸漬洗浄する際に、系列を切り替えて、濾過が全停止しないようにすることも好ましく採用できる。
【０１０３】
連続発酵による化学品の製造では、培養初期にＢａｔｃｈ培養またはＦｅｄ−Ｂａｔｃｈ培養を行って、微生物濃度を高くした後に、連続発酵（引き抜き）を開始しても良い。または、微生物濃度を高くした後に、高濃度の菌体をシードし、培養開始とともに連続発酵を行っても良い。連続発酵による化学品の製造では、適当な時期から原料培養液の供給および培養物の引き抜きを行うことが可能である。原料培養液供給と培養物の引き抜きの開始時期は必ずしも同じである必要はない。また、原料培養液の供給と培養物の引き抜きは連続的であってもよいし、間欠的であってもよい。
【０１０４】
原料培養液には菌体増殖に必要な栄養素を添加し、菌体増殖が連続的に行われるようにすればよい。発酵培養液中の微生物または培養細胞の濃度は、発酵培養液の環境が微生物または培養細胞の増殖にとって不適切となって死滅する比率が高くならない範囲で、高い状態で維持することが、効率よい生産性を得る上で好ましい態様である。発酵培養液中の微生物または培養細胞の濃度は、一例として、ＳＬ乳酸菌を用いたＤ−乳酸発酵では、乾燥重量として、微生物濃度を５ｇ／Ｌ以上に維持することにより良好な生産効率が得られる。
【０１０５】
連続発酵による化学品の製造では、必要に応じて発酵槽内から微生物または培養細胞を引き抜くことができる。例えば、発酵槽内の微生物または培養細胞濃度が高くなりすぎると、分離膜の閉塞が発生しやすくなることから、引き抜くことで、閉塞から回避することができる。また、発酵槽内の微生物または培養細胞濃度によって化学品の生産性能が変化することがあり、生産性能を指標として微生物または培養細胞を引き抜くことで生産性能を維持させることも可能である。
【０１０６】
連続発酵による化学品の製造では、発酵生産能力のあるフレッシュな菌体を増殖させつつ行う連続培養操作は、菌体を増殖させつつ生産物を生成する連続培養法であれば、発酵反応槽の数は問わない。連続発酵による化学品の製造では、連続培養操作は、通常、培養管理上単一の発酵反応槽で行うことが好ましい。発酵反応槽の容量が小さい等の理由から、複数の発酵反応槽を用いることも可能である。この場合、複数の発酵反応槽を配管で並列または直列に接続して連続培養を行っても発酵生産物の高生産性は得られる。
【実施例】
【０１０７】
以下、本発明の効果をさらに詳細に説明するために、上記化学品として、Ｄ−乳酸を選定し、Ｄ−乳酸を生産する能力のある微生物による図４の概要図に示す装置を用いた連続発酵の具体的な実施形態について、実施例を挙げて説明する。【０１０８】
（参考例１）中空糸膜の作製
重量平均分子量４１．７万のフッ化ビニリデンホモポリマーとγ−ブチロラクトンとを、それぞれ３８重量％と６２重量％の割合で１７０℃の温度で溶解した。この高分子溶液をγ−ブチロラクトンを中空部形成液体として随伴させながら口金から吐出し、温度２０℃のγ−ブチロラクトン８０重量％水溶液からなる冷却浴中で固化して球状構造からなる中空糸膜を作製した。次いで、重量平均分子量２８．４万のフッ化ビニリデンホモポリマーを１４重量％、セルロースアセテートプロピオネート（イーストマンケミカル社製、ＣＡＰ４８２−０．５）を１重量％、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを７７重量％、Ｔ−２０Ｃを５重量％、水を３重量％の割合で９５℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。この製膜原液を、球状構造からなる中空糸膜の表面に均一に塗布し、すぐに水浴中で凝固させて球状構造層の上に三次元編目構造を形成させた中空糸膜を作製した。得られた中空糸膜の被処理水側表面の平均細孔径は、０．０４μｍであった。次に、上記の分離膜である中空糸多孔性膜について純水透水量を評価したところ、５．５×１０-9ｍ3／ｍ2／ｓ／Ｐａであった。透水量の測定は、逆浸透膜による２５℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ１ｍで行った。【０１０９】
（実施例１）
分離膜モジュールケースにはポリスルホン樹脂製筒状容器である成型品を用いて中空糸膜モジュールを作製した。形状は図１のように、モジュールケース横下部にも発酵培養液が導入できるノズルを有するものを使用した。分離膜として参考例１で作製した中空糸膜を用い、１２１℃の飽和水蒸気と１時間接触させた。飽和水蒸気との接触には、ＴＯＭＹ社製のオートクレーブ「ＬＳＸ−７００」を使用した。中空糸膜を前記モジュールケース内に挿入し、ウレタン樹脂（サンユレック社製、ＳＡ−７０６８Ａ／ＳＡ−７０６８Ｂ、２剤を重量比が６４：１００となるように混合）を用いてモジュールケースと中空糸膜の両端を接着した。モジュール上端は中空糸膜を開口させるために、余分な接着部は切り落として用いた。【０１１０】
上記の通り作製した中空糸膜モジュールを用い、連続培養を行った。中空糸膜のモジュール充填率は４５％とした。発酵培養液はモジュール横下部ノズルから導入し、モジュール横上部ノズルから発酵槽１２に戻した。【０１１１】
また、中空糸膜集束部材４に使用したウレタン樹脂の硬度保持率を測定するために、上記ウレタン樹脂３０ｇを十分に撹拌混合させたのち、厚さ６ｍｍの板状になるよう８０℃で４時間硬化させた。樹脂を室温中に置き、２５℃になるまで自然冷却させたのちにＪＩＳ−Ｋ６２５３に記載のタイプＤのデュロメータを使用し、触針を樹脂の表面に押し付けることで測定した。樹脂を室温中に置き、２５℃になるまで自然冷却させたのちにＪＩＳ−Ｋ６２５３に記載のタイプＤのデュロメータを用いてＤ硬度を測定した。ＪＩＳ−Ｋ６２５３（２００４）のタイプＤデュロメータ硬度は、ＪＩＳ−Ｋ６２５３（２００４）に記載の測定器を使用し、触針を樹脂の表面に押し付けることで測定した。硬度を測定した樹脂について、１２１℃の飽和水蒸気と２４時間接触させ、２５℃になるまで自然冷却させ、表面の水分をよくふき取ったのち、前述の方法で硬度を測定した。飽和水蒸気との接触には、ＴＯＭＹ社製のオートクレーブ「ＬＳＸ−７００」を使用した。その結果、中空糸膜集束部材４に使用したウレタン樹脂の硬度は５５、硬化物の１２１℃、２気圧、飽和水蒸気条件下２４時間後の、硬度の保持率は９７％であった。【０１１２】
上記の通り作製した中空糸膜モジュール、図４の連続発酵装置および表１に示す組成の乳酸発酵培地を用い、Ｄ−乳酸の製造を行った。培地は１２１℃、２０分での飽和水蒸気下の蒸気滅菌をして用いた。高圧蒸気滅菌には、ＴＯＭＹ社製のオートクレーブ「ＬＳＸ−７００」を使用した。中空糸膜モジュール１は、発酵槽１２と接続し、使用前に１２１℃、２０分での飽和水蒸気下の蒸気滅菌をした。この中空糸膜モジュール１は１２１℃、２０分での飽和水蒸気下の蒸気滅菌を繰り返し２０回行ってもリーク等の問題はなかった。【０１１３】
運転条件は以下のとおりであった。
発酵槽容量:2(L)
発酵槽有効容積:1.5(L)
使用分離膜:ポリフッ化ビニリデン中空糸膜60本（有効長8cm、総有効膜面積 0.020(m2）)
温度調整:37(℃)
発酵槽通気量:窒素ガス0.2(L/min)
発酵槽攪拌速度:600(rpm)
pH調整:3N Ｃａ(ＯＨ)2によりpH6に調整
乳酸発酵培地供給:発酵槽液量が約1.5Lで一定になる様に制御して添加
発酵液循環装置による循環液量:2(L/min)
膜濾過流量制御:吸引ポンプによる流量制御
間欠的な濾過処理：濾過処理(9分間)〜濾過停止処理(1分間)の周期運転
膜濾過流束：0.01(m/day)以上0.3（m/day）以下の範囲で膜間差圧が20kPa以下となる様に可変。膜間差圧が範囲を超えて上昇し続けた場合は、連続発酵を終了した。【０１１４】
培地は121℃、20分での飽和水蒸気下の蒸気滅菌をして用いた。微生物としてSporolactobacillus laevolacticus  JCM2513（SL株）を用い、培地として表1に示す組成の乳酸発酵培地を用い、生産物である乳酸の濃度の評価には、下記に示したHPLCを用いて以下の条件下で行った。【０１１５】
【表１】
2011058983.tif 000004
【０１１６】
カラム：Shim-Pack SPR-H（島津社製）
移動相：5 mM  p-トルエンスルホン酸（0.8 mL/min）
反応相：5 mM  p-トルエンスルホン酸、20 mM  ビストリス、0.1 mM  EDTA・2Na（0.8 mL/min）
検出方法：電気伝導度
カラム温度：45℃
なお、乳酸の光学純度の分析は、以下の条件下で行った。
カラム：TSK-gel Enantio L1（東ソー社製）
移動相 ：1 mM 硫酸銅水溶液
流速：1.0 mL/分
検出方法 ：UV 254 nm
温度 ：30℃
L-乳酸の光学純度は、次式（ｉ）で計算される。
光学純度（％）＝100×（L-D）／（D＋L）  ・・・（ｉ）
また、D-乳酸の光学純度は、次式（ｉｉ）で計算される。
光学純度（％）＝100×（D-L）／（D＋L）  ・・・（ｉｉ）
ここで、LはL-乳酸の濃度を表し、DはD-乳酸の濃度を表す。【０１１７】
培養は、まずSL株を試験管で5mLの乳酸発酵培地で一晩振とう培養した(前々々培養)。得られた培養液を新鮮な乳酸発酵培地100mLに植菌し、500mL容坂口フラスコで24時間、30℃で振とう培養した(前々培養)。前々培養液を、図１に示す連続発酵装置の1.5Lの発酵槽に培地を入れて植菌し、発酵槽１２を付属の攪拌機１６によって攪拌し、発酵槽１２の通気量の調整、温度調整、pH調整を行い、発酵培養液循環ポンプ１４を稼働させることなく、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、発酵培養液循環ポンプ１４を稼働させ、前培養時の運転条件に加え、乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の発酵液量を2Lとなるよう膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵によるＤ−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、定量濾過ポンプ１３により濾過量が発酵培地供給流量と同一となるように制御した。適宜、膜透過発酵液中の生産されたＤ−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。【０１１８】
連続発酵試験を行った結果を表２に示す。図４に示す連続発酵装置において本発明の中空糸膜モジュールを導入して化学品を製造したことにより、安定したＤ−乳酸の連続発酵による製造が可能であった。連続発酵を380時間行うことができ、最大Ｄ−乳酸生産速度は2.1[g/L/hr]であった。【０１１９】
【表２】
2011058983.tif 000005
【０１２０】
（実施例２）
分離膜モジュールケースには図２のような形状のポリスルホン樹脂製筒状容器である成型品を用いて中空糸膜モジュールを作製した。分離膜として参考例１で作製した中空糸膜を用い、モジュールケースの全長の２倍の長さに切り出した後、１２１℃の飽和水蒸気と１時間接触させた。滅菌した中空糸膜を半分の長さに折り曲げ、ウレタン樹脂（サンユレック社製、ＳＡ−７０６８Ａ／ＳＡ−７０６８Ｂ、２剤を重量比が６４：１００となるように混合）を注入したポリスルホン樹脂製のキャップ内に中空糸の折り曲げ部を挿入し、小束を７つ作成した。この際、小束１つあたりの中空糸膜本数は７５０本とし、中空糸膜のモジュール充填率は４５％であった。２４時間、乾燥させた小束を前記モジュールケース内に小束を挿入し、ウレタン樹脂（サンユレック社製、ＳＡ−７０６８Ａ／ＳＡ−７０６８Ｂ、２剤を重量比が６４：１００となるように混合）を用いてモジュールケースと各小束を接着した。モジュール上部は中空糸膜を開口させるために、余分な接着部は切り落として用いた。【０１２１】
上記の通り作製した中空糸膜モジュールを用い、実施例１と同様に連続培養を行った。中空糸膜のモジュール充填率は４５％とした。発酵培養液はモジュール下部ノズルから導入し、モジュール横上部ノズルから発酵槽１２に戻した。【０１２２】
また、中空糸膜集束部材４に使用したウレタン樹脂の硬度保持率を測定するために、実施例１と同様にＤ硬度を測定した。その結果、中空糸膜集束部材４に使用したウレタン樹脂の硬度は６１、硬化物の１２１℃、２気圧、飽和水蒸気条件下２４時間後の、硬度の保持率は９９％であった。【０１２３】
上記の通り作製した中空糸膜モジュール、図４の連続発酵装置および表１に示す組成の乳酸発酵培地を用い、実施例１と同様にＤ−乳酸の製造を行った。培地は１２１℃、２０分での飽和水蒸気下の蒸気滅菌をして用いた。中空糸膜モジュール１は、発酵槽１２と接続し、使用前に１２１℃、２０分での飽和水蒸気下での蒸気滅菌をした。この中空糸膜モジュール１は１２１℃、２０分での飽和水蒸気下での蒸気滅菌を繰り返し２０回行ってもリーク等の問題はなかった。【０１２４】
連続発酵試験を行った結果を表２に示す。図４に示す連続発酵装置において本発明の中空糸膜モジュールを導入して化学品を製造したことにより、安定したＤ−乳酸の連続発酵による製造が可能であった。連続発酵を430時間行うことができ、最大Ｄ−乳酸生産速度は2.3[g/L/hr]であった。【０１２５】
（実施例３）
分離膜として参考例１で作製した中空糸膜を用い、１０５℃の飽和水蒸気と１時間接触させた。実施例２と同様に中空糸膜モジュールを製作し、連続培養を行った。【０１２６】
連続発酵試験を行った結果を表２に示す。図４に示す連続発酵装置において本発明の中空糸膜モジュールを導入して化学品を製造したことにより、安定したＤ−乳酸の連続発酵による製造が可能であった。連続発酵を350時間行うことができ、最大Ｄ−乳酸生産速度は1.9[g/L/hr]であった。【０１２７】
（実施例４）
分離膜として参考例１で作製した中空糸膜を用い、１１０℃の飽和水蒸気と１時間接触させた。実施例２と同様に中空糸膜モジュールを製作し、連続培養を行った。【０１２８】
連続発酵試験を行った結果を表２に示す。図４に示す連続発酵装置において本発明の中空糸膜モジュールを導入して化学品を製造したことにより、安定したＤ−乳酸の連続発酵による製造が可能であった。連続発酵を400時間行うことができ、最大Ｄ−乳酸生産速度は2.1[g/L/hr]であった。【０１２９】
（実施例５）
分離膜として参考例１で作製した中空糸膜を用い、１３０℃の飽和水蒸気と１時間接触させた。実施例２と同様に中空糸膜モジュールを製作し、連続培養を行った。【０１３０】
連続発酵試験を行った結果を表２に示す。図４に示す連続発酵装置において本発明の中空糸膜モジュールを導入して化学品を製造したことにより、安定したＤ−乳酸の連続発酵による製造が可能であった。連続発酵を500時間行うことができ、最大Ｄ−乳酸生産速度は2.6[g/L/hr]であった。【０１３１】
（実施例６）
分離膜として参考例１で作製した中空糸膜を用い、１４０℃の飽和水蒸気と１時間接触させた。実施例２と同様に中空糸膜モジュールを製作し、連続培養を行った。【０１３２】
連続発酵試験を行った結果を表２に示す。図４に示す連続発酵装置において本発明の中空糸膜モジュールを導入して化学品を製造したことにより、安定したＤ−乳酸の連続発酵による製造が可能であった。連続発酵を350時間行うことができ、最大Ｄ−乳酸生産速度は1.7[g/L/hr]であった。【０１３３】
（実施例７）
分離膜として参考例１で作製した中空糸膜を用い、１５０℃の飽和水蒸気と１時間接触させた。実施例２と同様に中空糸膜モジュールを製作し、連続培養を行った。【０１３４】
連続発酵試験を行った結果を表２に示す。図４に示す連続発酵装置において本発明の中空糸膜モジュールを導入して化学品を製造したことにより、安定したＤ−乳酸の連続発酵による製造が可能であった。連続発酵を250時間行うことができ、最大Ｄ−乳酸生産速度は0.9[g/L/hr]であった。【０１３５】
（比較例１）
分離膜モジュールとして、中空糸膜閉塞部材４および小束閉塞部材５をウレタン樹脂（サンユレック社製、ＳＡ−７２３８Ａ／ＳＡ−７２３８Ｂ、２剤を重量比が４５：１００となるように混合）を用いる他は、実施例１と同様にしてモジュールを製作した。中空糸膜集束部材４および小束閉塞部材５に使用したウレタン樹脂の硬度は５７、１２１℃の飽和水蒸気と２４時間接触させた後の、硬度の保持率は５６％であった。この分離膜モジュールを用いて、実施例１と同じ条件でＤ−乳酸の製造を行った。【０１３６】
作製した中空糸膜モジュールは硬度保持率が低く、モジュールを１２１℃、２０分の飽和水蒸気条件下での蒸気滅菌を繰り返し行ったところ、５回目の処理を行った後に中空糸膜と中空糸膜閉塞部材であるウレタン樹脂の間に剥離が確認され、３０ｋＰａのエアーリークテストでエアーリークが発生した。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明の中空糸膜モジュールを用いれば、簡便な操作条件で、長時間にわたり安定して高生産性を維持し、かつ滅菌処理可能な連続発酵が可能となり、広く発酵工業において、発酵生産物である化学品を低コストで安定に生産することが可能となる。
【符号の説明】
【０１３８】
１  中空糸膜モジュール
２  中空糸膜
２ａ  小束
３  筒状ケース
４  中空糸膜集束部材
５  小束閉塞部材
６  上キャップ
７  下キャップ
８  発酵培養液流入口
９  濾過液出口
１０  発酵培養液出口
１１  小束容器
１２  発酵槽
１３  濾過ポンプ
１４  発酵培養液循環ポンプ
１５  気体供給装置
１６  撹拌機
１７  培地供給ポンプ
１８  ｐＨ調整溶液供給ポンプ
１９  ｐＨセンサ・制御装置
２０  温度調節器
【図１】
2011058983.tif 000006
【図２】
2011058983.tif 000007
【図３】
2011058983.tif 000008
【図４】
2011058983.tif 000009
【国際調査報告】
2011058983.tif 000010
2011058983.tif 000011